Основные результаты
Разработанная и построенная математическая имитационная модель позволяет осуществить имитацию различных сценариев развития агропроизводственной системы. На начальном этапе моделирования были выявлены коэффициенты значимости (важности) всех входных показателей, влияющих на интегральный критерий эффективности агропроизводственной системы, для определения их удельного веса в изменении выходного показателя (рис. 2).
Рис. 2. Коэффициенты значимости (важности) различных параметров, влияющих на интегральный показатель эффективности агропроизводственной системы, %: а - затраты антропогенной энергии; б - плодородие почв; в - структура земельного фонда; г - структура посевных площадей.
Из антропогенных факторов (энергетических затрат) наиболее значимы энергетические затраты на сельскохозяйственную технику (21 %), топливо и ГСМ (20 %), что свидетельствует о решающем влиянии на эффективность системы уровня механизации сельскохозяйственных работ. При этом сохраняет свое значение затраты на электроэнергию (около 17 %) и трудозатраты (16 %).
Из показателей почвенного плодородия наибольшее влияние на эффективность агропроизводственной системы оказывают содержание подвижных элементов питания растений в почве (калия - 24 % и фосфора - около 22 %), а также процентное содержание гумуса в почве (около 15 %). Из структуры земельного фонда наибольшее значение имеют доля обрабатываемых земель (около 40 %) и пастбищ (около 38 %). Довольно высока значимость лесных земель - около 25 %. Из сельскохозяйственных культур наиболее значимы доля зерновых культур (около 34 %) и многолетних трав (около 25 %).
На следующем этапе были проведены имитационные эксперименты с моделью для выявления механизма формирования эффективности агропроизводственной системы, обусловленные уровнем энергетических затрат, соотношением входящих в них структурных элементов и других входных параметров.
Были разработаны несколько вариантов развития моделируемого объекта - агропроизводственной системы Республики Мордовия: сценарий изменения структуры затрат антропогенной энергии; сценарий повышения почвенного плодородия; сценарий изменения систем использования земель и комплексный сценарий. Наибольший интерес представляет комплексный сценарий при котором изменяются параметры во всех подсистемах, так как на эффективность функционирования и развития агропроизводственной системы оказывает влияние вся совокупность природных и социально-экономических факторов, что и реализуется в этом сценарии. При разработке сценария моделирования были учтены реальные возможности развития сельского хозяйства республики, приоритетных направления его совершенствования и имеющиеся представлений об оптимальном функционировании агропроизводственной системы региона.
Результаты комплексного сценария могут быть адекватно интерпретированы только после рассмотрения влияния отдельных факторов и подсистем на энергетическую эффективность агрогеосистем. В данном сценарии произведены следующие изменения исходных параметров. Все показатели затрат антропогенной энергии были увеличены - количество минеральных удобрений в 5,4 (до уровня максимального их внесения в Мордовии), затраты ручного труда на 8 %, затраты на сельскохозяйственную технику на 1,7 раз, топливо и горюче-смазочные материалы в 2,1 раза, затраты на подготовку семян на 5 %, электроэнергию - на 3 %. Показатели почвенного плодородия (как следствие увеличения количества вносимых минеральных удобрений) также были увеличены -кислотность на 10 %, содержание подвижного калия на 25 %, фосфора на 20 %, гумуса на 11 %, плотность почв на 8 %. Структура земельного фонда была изменена за счет расширения площадей наиболее продуктивных обрабатываемых земель на 10 %, лесов на 6 % и уменьшения пастбищных угодий на 14 %. Изменение посевных площадей выразилось в увеличении посевов зерновых культур (на 10 %), многолетних трав (на 5 %) и пропашных культур (на 5 %) и уменьшении посевов однолетних трав на 10 %. Расчетные показатели энергетической эффективности агрогеосистем отличались очень высокой территориальной дифференциацией (рис. 3).
Рис. 3. Результаты имитации по комплексному сценарию. Изменение критерия эффективности агропроизводственной системы, %: 1 - менее 86,0; 2 - 86,0 - 110,0; 3 - 110,1 - 134,0; 4 - 134,1 - 158,0; 5 - более 158,0.
Повышение энергетической эффективности агропроизводственной системы произошло во всех типах природной среды за исключением ландшафтов водно-ледниковых равнин зоны смешанных лесов с дерново-подзолистыми почвами и районов распространения светло-серых и серых лесных почв различной степени щебнистости в ландшафтах эрозионно-денудационных равнин на юго-востоке республики. Набольшее увеличение энергетической эффективности агропроизводственной системы было характерно для ландшафтов широколиственных лесов и лесостепи вторичных моренных равнин с черноземами оподзоленными и выщелоченными - более 150 %. Она закономерно понижалась при переходе в районы с серыми лесными почвами.
Все произведенные изменения направлены на повышения уровня интенсивности сельского хозяйства, и они оказываются достаточно эффективными на большей части территории Мордовии, что свидетельствует о недостаточно высоком уровне использования природного агропотенциала территории. На ограниченной части территории региона интенсификация приводит к снижению уровня эффективности энергетических затрат. Поэтому в этих районах обоснованно пересмотреть сложившуюся территориальную организацию и специализацию сельского хозяйства в направлении внедрения менее интенсивных систем использования земель с большей долей многолетних и однолетних трав и развитие на этой основе животноводства, что будет способствовать болееэффективному использованию природных и социально-экономических условий территории.
Для автоматизации процесса моделирования социально-экономических процессов и явлений в агропроизводственной системе и наглядного представления результатов расчетов разработана автоматизированная система моделирования «Агрогеосистема 1.1» [4]. Структурно она представлена тремя взаимосвязанными блоками: 1) система ввода и первичной обработки исходных данных; 2) система электронного картографирования; 3) система изменения входных параметров моделирования и математическая модель. Программа имеет модульное построение, причем связь между различными блоками системы жестко детерминирована, что практически исключает вероятность допущения ошибок.
Первая компонента предназначена для автоматизации ввода исходных данных, их группировки, проведения первичной обработки подготовленных материалов, сохранения полученных результатов расчета. Исходные данные формируются в виде информационных блоков, число которых произвольно. Структурно информационный блок представляет собой набор показателей для всех территориальных единиц с возможной группировкой по районам, причем количество этих показателей и их смысловые характеристики пользователь определяет сам.
После подготовки основных исходных данных программа позволяет сформировать любое количество производных показателей, которые можно расположить в отдельных информационных блоках либо в блоках с исходными данными. Для этого предусмотрены функции «Расчеты внутри блоков» и «Расчеты между блоками». Эти функции позволяют использовать в расчетах произвольное количество исходных характеристик и поместить результаты вычислений в любое место. Математические зависимости между показателями кодируются в виде линейных формул с использованием арифметических операций и традиционных математических функций.
Вторая компонента - «Система электронного картографирования» - предназначен для графической визуализации подготовленных материалов. Эта компонента включает широкий набор функций - от разработки пользователем набора штриховок и палитр цветов для закраски контуров до построения различных карт обследуемой территории. Кроме того, в этой компоненте имеется возможность векторизации контуров агрогеосистем, вывода на карту территории и отдельного района лесных массивов, речного бассейна, административных центров хозяйств. В состав картографической компоненты входит также подсистема построения изолинейных карт, основанная на использовании методов сплайн-апроксимации.
Третья компонента предназначена для реализации на ЭВМ математических моделей исследования процессов устойчивого развития агрогеосистемы. Она включает блок имитации следующих компонентов: «Затраты антропогенной энергии», «Почвенное плодородие», «Структура земельного фонда», «Структура посевных площадей». Блок «Результаты имитации» позволяет оценить изменение интегрального критерия эффективности функционирования региональной агропроизводственной системы при изменении исходныхданных во всех блоках, а также экспортировать полученные данные в картографический блок. Расчетные показатели выводятся на дисплей и принтер в виде картограмм, изолинейных карт, таблиц, графиков и т.д.
Выводы
1. Для современного этапа формирования агропромышленного комплекса России характерен недостаточный уровень обеспечения материально-технических, технологических и трудовых ресурсов, что определяет необходимость инновационного развития агропродовольственной системы.
2. Неблагоприятное воздействие внешних факторов развития сельского хозяйства страны обусловливает необходимость разработкиметодов исследования и выявления механизмов импортозамещения продовольствия, что является необходимым условием достижения оптимального уровня продовольственнойбезопасности страны.
3. Одним из наиболее эффективных методов исследования агропроизводственной системы является имитационное моделирование, при котором происходит замещение реального объекта и отображается процесс его функционирования путем воспроизводства важнейших свойств и процессов с сохранением их внутренней структуры.
4. В отличие от традиционных математических моделей в данном исследовании использован оригинальный математический аппарат, представляющий собой модификацию метода структурной и параметрической идентификации имитационной модели.
5. В качестве интегрального (эколого-экономического) критерия эффективности агропроизводственной системы предлагается использовать показатель эффективности энергетических затрат, который представляет соотношение пересчитанной в энергетические единицы валовой продукции всех возделываемых в республике культур и затрат энергии на производство этой продукции.
6. На начальном этапе моделирования были выявлены коэффициенты значимости (важности) всех входных показателей, влияющих на критерий эффективности агропроизводственной системы. Наиболее значимыми являются энергетические затраты на сельскохозяйственную технику, топливо и горюче-смазочные материалы (20 %), что свидетельствует о решающем влиянии на продуктивность уровня механизации сельскохозяйственных работ. Из показателей почвенного плодородия наиболее значимо содержание подвижных элементов питания растений в почве, из параметров организации территории - доля обрабатываемых земель и зерновых культур.
7. Результаты моделирования свидетельствуют о необходимости повышения уровня интенсивности сельского хозяйства в республике, что указывает на недостаточно высокий уровень использования природного агропотенциала и социально-экономических ресурсов территории.
Список использованных источников
1. Носонов А. М. Моделирование экономических и инновационных циклов в сельском хозяйстве / А. М. Носонов // Национальные интересы: приоритеты и безопасность. - 2014.- № 1. - С. 24-33.
2. Шеннон P. Имитационное моделирование систем - искусство и наука / P. Шеннон. - М. : Миp, 1978. - 381 с.
3. Носонов А. М. Территориальные системы сельского хозяйства: экономико-географические аспекты исследования. - М. : Янус-К, 2001. - 324 с.
4. Носонов А. М. Моделирование устойчивости региональных агрогеосистем / А. М. Носонов, А. Г. Смольянов, Г. А. Триханов // Экономические, социально-политические и экологические аспекты исследования геосистем: межвуз. сбор.науч. тр. - Саранск, 1998. - С. 30-35.
5. Крючков В. Г. Моделирование взаимодействия природных и производственно-территориальных систем сельского хозяйства / В. Г. Крючков, А. М. Носонов // География и природные ресурсы. - 2000. - № 2. - С. 85-91.
6. Адамович М. Экономическая эффективность сельскохозяйственного производства в странах-членах СЭВ / М. Адамович // Междунар. с.-х. журнал. - 1980.- № 2. - С. 94-97.
7. Новиков Ю. Ф. Биоэнергетическая оценка технологических процессов в сельском хозяйстве / Ю. Ф. Новиков, В. И. Сотников, Е. И. Базаров // Вестн. с.-х. науки.- 1982.- № 10. - С. 5-10.
8. Булаткин Г. А. Основы энергетической концепции / Г. А. Булаткин, А. С. Ларионов. - Пущино, 1993. - 132 с.
9. Ковшов В. П. Теория и методология исследования природного агропотенциала территории / В. П. Ковшов, А. М. Носонов. - Саранск : Референт, 2005. - 168 с.
10. FAO: Production yearbook [Электронный ресурс]. - Rome, 2014. - Режим доступа: www.fao.org/cfs/cfs-hlpe
11. Pimentel D. Energy efficiency of farming systems / D. Pimentel, G. Berardi, S. Fast.- Spec. Publ. Am. Soc. Agron., 1982. - Р. 21-34.
12. Pimentel D. Energy inputs in corn production / D. Pimentel, M. Burgess // Handbook of Energy Utilization in Agriculture. - Boca Raton, 1980. - P. 34-61.